可以通过基因编辑获得想要的哥斯拉吗？| No.376

Original Frions 中科院物理所 2023-10-15

收录于合集 #问答 353个

基因编辑仿佛是把魔刀
拥有改写生命密码的力量
在生物医学等诸多领域让人期待
那么这种力量是否有上限呢？
可以帮助我们获得任何想要的性状吗

Q1

盐水的冰点为什么比纯水低？盐水结冰后冰里有盐吗？

by heipen

答：
在纯水中，水分子会在特定温度下（0摄氏度）形成晶体结构，从液态转变为固态。但当你向水中加入盐时，盐离子( 、）会与水分子相互作用，插入到水分子之间的结构中，打破了一部分水分子之间的氢键。这使得水分子在更低的温度下才能形成稳定的晶体结构，从而降低了冰点。
这个现象在日常生活中常常被利用，例如，在冬季道路除冰时，散布盐可以降低道路上冰的形成温度，从而改善道路行驶的安全性。
当盐水结冰时，冰中通常不会包含盐。饱和的氯化钠溶液，凝固点低于零下20摄氏度。一般情况下，水结冰时，冰晶中的水分子会以晶格结构排列，不容纳溶解在水中的盐离子。因此，冰结晶过程中，盐会被排除在冰外，形成冰晶和盐水的分离现象,此时NaCl会结晶于冰的间隙中。当冰融化时，它会形成普通的盐水。这也是为什么冰雪通常不咸的原因。
by 小线
Q.E.D.

Q2

为什么在冰箱中冻的冰块，自己会长出“小角”？冻冰块时，每个小槽中的水的液面是平的啊

by 大宇

答：
好问题，不过小编之前从没见到过冷冻室的冰块上长出尖角的样子，于是就上网搜了一下，结果发现真的有！看到了很多很神奇的图片，比如：
冰块儿的正中央倒长出了像钟乳石一样的长的尖角|图自[1]
小编只能说大受震撼。但这仍然是一个普通的物理现象，我们可以解释。
在冷冻室中，冰格里的水会在与冷空气相接处首先开始结冰，在格子里的水没有完全变成冰之前，格子里的水会被外部的冰所包裹起来，形成一个固态外壳。
一张更清晰的图|图自[2]
当这个缝隙在冰块正上面时，通过这个缝隙流出去的水就会在冰块表面形成一个冰尖锥，并且随着冷冻过程的进行，水会从这个尖锥上的薄弱部分会不断流出，从而使尖锥变得越来越高。于是，当我们想要喝一杯加冰块的饮料而满怀喜悦地打开冷冻室时，就有几率能看到冰格子上长出的奇异尖角了。
当然，这个尖角的形成也是需要条件的。首先，环境温度需要不那么低，-8℃到-3℃可能是个合适的区间，这可以使得水不会被很快地冻结；其次，水需要足够纯净，哪怕少量的矿物质盐也会破坏尖角的形成（我猜这就是自己从小到大都没有见到过冰格子上长角的原因，我家的自来水水质比较硬）。
另外，对形成冰块的环境恰当通风也会促进尖角的形成，但这对于冰箱冷冻室来说还是有些困难，但在自然界则是有可能发生的。
参考资料：
https://www.zhihu.com/question/403647054
vedio from Veritasium
by K.Collider
Q.E.D.

Q3

臭氧的密度比空气大，为什么他不会掉在空气中与空气混合，而是在高高的天空上形成一层臭氧层？

by 红尘居士

答：
会混合，只不过在臭氧层处臭氧浓度相对较大。
臭氧浓度垂直分布图
这是一幅描述臭氧空洞的图，我们可以用它来看一下臭氧的分层。横轴是臭氧浓度，纵轴是海拔。蓝色曲线就是正常的臭氧层。可以看到在距离地面15——20km高度处有一个明显的臭氧浓度峰，峰值浓度大约15mPa。而这个高度的大气压大概在5kPa到10kPa，臭氧浓度在百万分之一量级。可以说即使是在臭氧层，臭氧与空气混合得也相当好。
而之所以臭氧层会出现，是因为这个高度的紫外光很强烈，紫外光将氧气分解成臭氧；而在更高的高度上，空气密度又下降得很快，氧气变少。多种因素共同作用，导致海拔15—20km处产生的臭氧最多，换句话说，这里是一个臭氧源。类比一下，假如在厨房里放一盘红烧肉，那么厨房也会比卧室更香一些。
参考资料：
臭氧浓度垂直分布
气压-高度对照
by 藏痴
Q.E.D.

Q4

基因编辑技术能培育出所需的任何性状吗？有没有实际应用的明确限制？

by 垂耳玉兔🐰

答：
理论上是可以的，但实际的限制其实很多，难度较大。
最重要的也是最关键的，是道德和法律的限制，基因编辑作为技术虽然是自由的，但是应用这种技术需要充分考虑道德和法律后果，并且遵守学术界约定的规则，贺建奎是一个典型的反面案例，并且促进了法律法规的完善。《中华人民共和国刑法》规定："将基因编辑、克隆的人类胚胎植入人体或者动物体内，或者将基因编辑、克隆的动物胚胎植入人体内，情节严重的，处三年以下有期徒刑或者拘役；并处罚金；情节特别严重的，处三年以上七年以下有期徒刑，并处罚金。"同时还有其他相关规定也随之出台。
其他的一些限制其实也很多，首先一个性状背后的控制基因，往往不止一个，所以如果想要控制某个性状往往需要编辑很多个基因，而伴随着编辑基因数量的上升，技术难度是指数上升的。其次无论何种基因编辑技术，都有自身的缺陷，慢病毒载体会有插入位点没有特异性的问题，CRISPR/Cas系列方法有脱靶率较高的问题。最后基因编辑的个体其实并不一定会有竞争优势，例如拥有优良作物性状的水稻在野外并不能竞争过野生水稻。
by 某大型裸猿
Q.E.D.

Q5

为什么蓝色的LED比红色和绿色的更难实现？

by YYY

答：
2014年诺贝尔物理学奖授予了发面蓝光LED的三位科学家。他们有人解决了从理论到实验的困难，有人解决了从实验室到工程的困难，完成了蓝光LED实用化的任务。这对人类意义重大，因为蓝光的LED加上已有的红色和绿色的LED，就可以产生明亮又纯净的白色光。
对半导体发光物质来说，光的颜色由发光物质的禁带宽度决定。根据固体物理的能带论，电子只能存在于几个特定的状态上。在二能级系统中，能量低的状态叫做价带，能量高的状态叫做导带。导带与价带之间的区域叫做禁带，能量差叫禁带宽度。电子平常位于价带。发光时，电子先被激发到导带中，然后向下跃迁回价带并释放一个光子，光子能量就等于禁带宽度。
蓝光相比于红绿光，波长短、能量高，对应的发光材料的禁带宽度大。在LED发展的初期人们并没有发现合适的材料。后来，随着InN和GaN的出现，理论上可以通过调节二者的配比组分制成蓝光LED。
但是由于晶格失配，InN/GaN的高质量单晶较难生长，影响发光效率。另外从实验室器件走向实用发光元件还有许多问题需要克服，比如器件的具体结构设计以及将半导体发光元件炼乳电炉的电极设计等。
by 藏痴
Q.E.D.

Q6

为什么（在弹性限度内）压缩或拉伸弹簧，弹簧还能恢复原状（但弯折铁丝却不能恢复）？

by 某高中牲

答：
弹簧和弯折铁丝之间的不同弹性行为是由于它们的结构和材料性质的差异所致。
● 结构：弹簧通常是绕成螺旋形的，这种结构有利于弹簧存储弹性势能，在受到拉伸或压缩时可以发生线性的弹性变形，而且可以在受力结束后恢复原状。
● 材料性质：弹簧通常由高弹性的材料制成，如弹簧钢，这些材料具有高度的弹性极限，其原子结构使得它们能够在受力后重新排列并恢复原状，所以可以经受很大的应力而不变形或损坏。
相比之下，弯折铁丝通常不是设计为弹性材料。这些材料在受到弯曲或扭曲时可能会发生塑性变形，这意味着分子和原子之间的结构可能会永久改变，导致铁丝不能完全恢复原来的形状。
by 小线
Q.E.D.

Q7

课本上说，相对原子质量是原子实际质量与（1/12）碳原子的比值，为什么当初要选择碳原子作为比例基础？而现实中1mol的物质的质量在数值上就是其相对原子质量，这几个单位是怎么统一起来的？

by 匿名

答：
如简单点说，碳元素广泛存在于有机物质和生物体中,是构成生命体的主要元素之一,获取纯品相对容易。碳的同位素中,其二碳-12的丰度最高,约占地球碳的98.93%,测量起来准确可靠。
其实这也是一个历史悠久的问题，原子质量和摩尔的历史（两者相互关联）可以追溯到 19 世纪初的原子理论之父约翰-道尔顿[1]。统一的原子质量单位就是以他的名字命名的。那个时代的科学家们刚刚了解元素；元素周期表是道尔顿 60 年后的事情。道尔顿最初提出以氢为基础。可测量性和可重复性问题很快就出现了。错误也是如此。例如，道尔顿认为水是而不是[2]。
这些问题导致化学家改用以地球上发现的氧为基础的氧标准。(物理学家对原子水平的研究使他们在 20 世纪制定了自己的标准，该标准以为基础，而不是、和的自然混合体（原子质量：15.994915、16.994915 和 17.999161): 化学家使用的标准是是、和的自然混合体（的标称混合量为百万分之379.9，为百万分之2005.20，其余为）。
各种氧同位素的自然混合并非恒定不变。它会随着时间、地点和气候的变化而变化。到 20 世纪中叶，测量方法的改进和更广泛的使用使得可重复性成为一个重要问题。主要原因是两种最常见的氧同位素（主要同位素）和（平均约为百万分之2000）的自然变化。国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）关于元素原子量的技术报告[4] 列出，自然界中氧气的原子量从 15.99903 到 15.99977 不等。
造成这些自然变化的主要原因是基于各种氧同位素的水分子的蒸发和沉淀优先级不同。以为基础的水比以为基础的水更容易蒸发，这使得热带海洋的含量比平均水平高一些。另一方面，基于的水比基于的水更容易沉淀。这使得热带地区降水中的浓度略高于标称浓度，也使得高纬度地区降水中的浓度略低于标称浓度。
物理学家有一个解决方案：改用同位素纯的标准。这将对化学中以氧为基础的标准造成不可接受的巨大改变（百万分之275 [3]）。这就需要重写教科书、参考书，也许最重要的是重写炼油厂和其他化工厂使用的配方。商业成本将是巨大的。重要的是，计量学的存在首先是为了支持商业。因此，化学家对物理学家提出的这一建议表示反对。
碳基标准是一个很好的折衷方案。一个偶然的机会，人们发现，将原子质量定义为一摩尔由、和组成的天然混合氧的质量的 1/16，与将原子质量定义为一摩尔的质量的 1/12 的标准非常接近[3]。这意味着与化学家的天然氧标准相比，将有百万分之42的变化，而如果改为 1/16 摩尔[3]的质量，则会产生百万分之275的变化。这一新标准以纯同位素为基础，从而使物理学家感到满意，而且与过去的标准相差很小，可以接受，从而使化学家和商业界感到满意。
在科学家已经发现各种元素与碳的质量比值后,选择碳作为参比基础有利于统一原子质量的概念。而1mol的物质的质量数值就是其相对原子质量,原因是:1mol包含了这种物质原子或分子的物质量(由阿伏加德罗常数决定),而1mol重复单位中原子或分子的质量正好就是其相对原子质量的总和。
参考资料
Atomic theory of John Dalton
Class 11: How Atoms Combine
Atomic Weights and the International Committee —A Historical Review
http://nparc.cisti-icist.nrc-cnrc.gc.ca/eng/view/fulltext/?id=23a71e6c-605b-458b-b56e-5efb0a347895
by 青春小花🌸
Q.E.D.

Q8

DNA是怎样表达遗传信息的？

橙子

答：
这个问题太大了，详细介绍不如直接看分子生物学教科书。简明扼要的介绍就是中心法则，对就是中学生物课本中的那个中心法则，DNA转录为RNA，RNA翻译为蛋白，蛋白和RNA作为执行者发挥功能，然后会有一系列的机制来调节主要路线。
中心法则简示|图自Bing）
这里简单介绍一下调控过程。
在上游，DNA的甲基化水平会直接影响其表达水平，同时与DNA结合的组蛋白存在着以甲基化、乙酰化为代表的大量修饰，这些修饰也会影响DNA的转录，同时真核生物基因组中可以被转录的区域只是很小一部分，其他区域更多的是调控区域，比如增强子、沉默子、转座子。在中游，RNA的调控也是丰富多彩，一段区域转录的RNA可以有多种剪切方式，组合出不同样式的RNA来发挥不同的功能，而且还存在有RNA binding protein来结合RNA调控翻译，同时siRNA的存在也可以直接降解特异的mRNA，更遑论大量的非编码RNA的功能其实还不是很清楚。
在下游，蛋白水平的调控更是太太太复杂了，蛋白本身可以有非常丰富的修饰，磷酸化与去磷酸化来调控蛋白活性，泛素化来介导蛋白降解等等。同时蛋白还可以与其他蛋白或者小分子结合发挥不同的活性，比如小GTP酶与GTP和GDP结合有不同的功能活性，核孔复合物、剪切体复合物都是不同蛋白一起组装发挥活性。
中心法则稍微复杂一点的简示|图自researchgate.net
看完这些是不是已经开始迷糊了，没事，只要报考细胞生物学or分子生物学专业研究生，你就会发现这里介绍的仅仅是皮毛和入门，会发现基因表达调控的过程是如此复杂和迷人。“21世纪是生物学的世纪”，欢迎大家加入这个深坑来一起研究（除了收入比较低，压力比较大，加班比较多，毕业比较迟，其实生物专业还是很有趣的，完全没有网上说的那么坑嘛）。
by 某大型裸猿
Q.E.D.